微电子芯片热电冷却系统的传热特性

1、高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集 编号：B0100010微电子芯片热电冷却系统的传热特性王长宏1 黄金1 陈颖1 朱冬生2(1.广东工业大学材料与能源学院,广东广州,510006;2.华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,510640)（联系电话 Email：wangchh ）摘要：随着电子封装集成度的迅速提高，微电子芯片结构尺寸的不断减小以及功率密度的持续增加，芯片的散热问题及温度分布均匀性已成为影响芯片性能亟待解决的瓶颈。针对微电子芯片热管理技术的现状和传统冷却技术的不足，建立微电子芯片热电冷却装置及其性能测试系统，采用热阻分析模型对热电冷却

2、系统的传热过程进行研究。分析结果表明： TEC自身热阻（2）随工作电流的增大而降低；系统总热阻（total）随TEC工作电流的增大而先减小后增大，存在一个最佳电流值（Iopt）使得total最小；并且，Iopt随芯片功率的增加而增大。关键词: 热电冷却; 微电子芯片; 传热特性; 热阻分析1 引言芯片功率的不断提高对高性能冷却技术的迫切要求与实际应用的广阔市场空间，使得对高热流密度芯片和微机械电子系统冷却散热的研究成为非常重要而又活跃的研究领域1-2。热电冷却也叫半导体冷却，是利用半导体材料的帕尔帖效应来实现制冷的一门新兴技术3。自从1834年法国物理学家帕尔帖（Peltier）发现了电流的温

3、差制冷效应以来，世界各国的研究者一直致力于将热电冷却技术应用到微电子芯片的热管理中，并为此开展了大量的研究4。然而，由于热电材料性能的限制以及热电冷却系统性能影响因素的复杂性，有关热电冷却技术在微电子封装热管理方面的应用研究进展缓慢。直到最近10年来，随着半导体热电材料性能的改进，TEC（Thermo-electric cooler）制冷效率的提高，热电冷却技术逐渐引起了电子设备热设计与管理专家的兴趣，开始对TEC在电子设备与芯片散热上的应用进行研究5。但是，现有研究大多以理论分析与简单的实验测试为主，对应用热电冷却器的芯片散热系统进行理论推导计算与热电性能的简单分析分析6。国内研究者近年来也

4、开始重视TEC在微电子封装热管理方面的应用研究，但同样以热电冷却系统的理论分析、设计计算和对热电模块性能改进的实验研究居多，或者在综述性论文中对热电冷却技术进行系统介绍7-9。目前，还鲜有设计实验台探讨较大发热功率范围下热电冷却系统性能的研究出现。广东工业大学博士基金资助项目（批准号：405095237）针对热电冷却技术发展起步较晚，热电冷却系统传热特性及其应用性能的研究还不够深入和完善的现状，本研究将研制一套微电子芯片热电冷却实验装置及其测试系统，结合现在先进的红外热成像技术，分析热电冷却系统的传热特性、散热性能、系统各性能参数之间的关系及其对芯片表面温度的影响。2热电冷却系统传热过程的理论

5、分析2.1 热电制冷原理如果把不同极性的两种半导体材料（P型和N型），联接成电偶对，通过直流电流时就发生能量的转移；电流由N型元件流向P型元件时便吸收热量，这个端面为冷面，电N型热电材料流由P型元件流向N型元件时便放出热量，这个端面为热面。借助散热器将热电模块热面的热量不断散出并且保持一定的温度，而把热电模块的冷面置于工作环境中去吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理3。如图1所示为热电制冷过程示意图。直流电源图1 热电制冷过程示意图Fig. 1 Schematic diagram of thermoelectric cooling process吸热吸热电子放热放热P型热电材料 空穴2.2 热

6、电冷却系统热阻分析模型引入热阻的概念可以有效评价散热系统的散热能力，可利用热阻分析法对散热/冷却系统进行研究，探寻减小散热通道的热阻，提高散热/冷却效率的有效途径，并为散热系统的参数优化提供理论依据。由杨世铭和陶文铨主编的传热学中，在考察冷、热流体通过一块大平壁交换热量的传热过程时，类比电学中的欧姆定律，提出了传热过程热阻的概念10。串联热阻叠加原理与电学中串联电阻的叠加原理相对应，即：在一个串联的热量传递过程中，如果通过各个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节热阻之和。如图2为热电冷却CPU芯片散热系统结构示意图。在典型的热电冷却模块中，对于单个热电冷却单元，根据能量守恒原

7、理，在一系列合理假设的基础上, 可得到热电冷却器冷端制冷量Qc，热端向环境的散热量Qh，通电流时产生的电压U，消耗的电能W, 制冷效率COP值以及优值系数Z的计算式11。类比电学的欧姆定律，采用Q0图2 热电冷却CPU芯片散热系统示意图 Fig.2 Scheme of the TEC cooling system P模块芯片Qh热阻分析法对散热系统进行传热分析3，得出散热系统的热阻分析示意图如图3所示。Tchip为芯片温度，；Q0为芯片功率，W；1为TEC冷面与芯片上表面间的接触热阻，·W-1；P为维持TEC工作的输入功率，W；Tc和Th分别为TEC冷、热面的温度，；Qh为TEC热面

8、散热量，W；2为TEC自身热阻，·W-1；3为TEC热面与热沉之间的接触热阻，·W-1；4为热沉自身热阻，·W-1；5为热沉与环境间的对流换热热阻，·W-1；Ts为热沉底座温度，；Tfin为热沉翅片平均温度，；h为热沉与环境之间的对流换热系数，W·m-2·K-1；Ta为环境温度，。系统各热阻的计算关系式如下：Tchip1Tc2Th3Ts4Tfin5hTa芯片Q0TECQhP图3 热电散热系统热阻分析示意图散热热沉Fig.3 Schematic diagram of the thermal resistance analysis of

9、the TEC cooling system1=TchipTcQ0(1)3=ThTs(2) Q0+P4=TsTfinQ0+PTfinTaQ0+P(3)5=整个散热系统的总热阻total为：(4)total=TchipTaQ0+P(5)综合式(1)至式(5)求解，可得出TEC处于正常工作状态时自身热阻的计算公式，2=total1345=TchipThQ0+PTchipTcQ0(6)3 实验测试系统设计3.1 实验装置如图4为热电制冷散热系统结构示意图，模拟芯片置于基板上的刻槽中，以保证其散热方式与实际散热情况相符。TEC的冷面通过热界面材料与模拟芯片紧密接触，以吸收模拟芯片的热量；热沉与TEC热

10、面紧密接触，通过风扇的强制对流作用将TEC热端的热量散失到环境中。实验通过调节TEC的工作电流来改变TEC制冷量和散热量。在模拟芯片与TEC冷面接触面热界面材料的两侧、TEC热面以及热沉翅片上分别布置热电偶，记录整个散热系统（包括模拟芯片表面、TEC冷热面和热沉表面）的温度变化。图4热电制冷散热系统结构示意图 Fig.4 Structure scheme of the TE cooling system图5为热电冷却散热系统实验台实物照。本实验系统主要包括热电冷却散热系统、直流电源和数据采集系统三个部分。热电冷却系统包括基板、模拟芯片、热电制冷模块、热沉、散热风扇和热界面材料。实验选用的热电制

11、冷模块由广东某电子科技有限公司提供，具体型号有TEC1-12706M、TEC1-12705和TEC1-12708等三种。参照主流CPU芯片的尺寸12，设计模拟芯片的尺寸为40mm×40mm×3.5mm。模拟芯片的平均电阻为6.8，发热功率上限为50W（下文中出现的不同功率的芯片，其尺寸都与模拟芯片相同）。直流电源数据采集系统热电冷却散热系统图5 热电冷却散热系统试验平台 Fig.5 Test platform of the TE cooling system3.2 数据采集系统与测试方法研究选用Agilent 34970A数据采集仪，配合1.0mm二级精度的铠装热电偶对温度

12、信号进行实时检测。实验测试系统的热电偶布置如图6所示。在模拟芯片表面中心布有一测温点104，测量芯片表面温度；在热电制冷模块冷、热面的中心分别设置测温点105和103，冷热面的边角处分别设置测温点106和101，用以测试TEC冷、热面的热均匀性；在热沉底面和翅片上分别布有三个测温点102、107和108，以测试热沉底座和翅片的平均温度，计算热沉热阻13。另外，还布置一测温点109用来记录实验时的环境温度。实验开始前，首先要安装及调试实验系统，同时也打开数据采集仪，运行一段时间使温度显示平稳，尽量减少温度显示误差。考虑到大多数CPU芯片的结温应控制在90以内12，实验中需注意当Tchip超过90

13、时关闭芯片电源，停止实验。当TEC的冷热面温差T< 0时，TEC不能起到主动制冷作用，或当TEC工作电流或电压超过最大工作电流或电压时，也停止实验，避免TEC损坏。 +-+-图6 散热系统热电偶布置示意图 Fig. 6 Thermocouple distribution scheme of the test cooling system4 热电冷却系统性能分析4.1模拟芯片与TEC冷面的界面接触热阻1图7为风扇电压Uf=8.3V和Uf=12.0V时，模拟芯片与TEC冷面间的界面接触热阻1随芯片功率的变化关系。图8则给出了三种芯片功率条件下，TEC工作电流对1的影响。由图7可以看出，在风扇

14、电压Uf=8.3V时，1随芯片功率Q0的变化幅度不大，1基本稳定在0.451·W-1；而当风扇电压Uf=12.0V时，1随芯片功率Q0变化的最大幅度为0.068·W-1，剔除实验测试坏点的影响，1基本稳定在0.48·W-1。在相同Q0下，1随着Uf的增加而增大。这是因为随着Uf的增加，TEC热面的散热能力得到加强，TEC热面温度Th下降，在一定的TEC芯片表面与TEC冷面的温差增大，从而导致接触热阻1运行工况下使得TEC冷面温度Tc降低，随之增大。由图8可以看出，在相同芯片功率条件下，随着TEC工作电流的增加，1呈现先下降后上升的趋势。当Q0=20W时，1在工作电

15、流为2.1A时取得最小值0.461·W-1；当Q0=25W时，1在工作电流为2.4A时取得最小值0.465·W-1；当Q0=30W时，1在工作电流为3.1A时取得最小值0.405·W-1。0.1/（·W-1）1 （/·W-1）Q0 / WI / A图7 1随芯片功率的变化 Fig.7 Variation of 1 at different Q0图8 1随TEC工作电流的变化 Fig.8 Variation of 1 at different I4.2 TEC自身热阻2由于TEC模块应用于电子芯片的冷却散热时是主动制冷装置，故其热阻为一负值。当T

16、EC在冷却系统中正常运行时，其热阻还受热电功能材料的热物性参数、模拟芯片功率以及TEC工作参数的影响。图9给出了2随TEC工作电流和芯片功率的变化关系。 由图9可知，给定风扇电在相同热负荷压Uf =12.0V时，条件下，2随着TEC工作电流的增加而逐渐减小，对于热流通道的阻碍作用越来越小。其原因在于随着I的增大，TEC冷、热面产生的Qc和Qh相应增大，使得芯片产生的热量能够更快地被TEC冷面吸收。虽然热电制冷过程中伴随有不断增大的焦耳热和傅立叶效-0.6-0.72 / ·W-1-0.8-0.9-1.0-1.1-1.2I /A图9 TEC热阻随工作电流和芯片功率的变化Fig.9 Var

17、iation of the TEC thermal resistance at different I and Q0应的影响，但是不断增大的帕尔帖制冷量还是起到了主导的作用，对于TEC来说能把芯片产生的热量更快地传递到TEC热面。从图中还可以看出，在相同工作电流下，随着芯片功率的升高，2也逐渐增大。2作为TEC的自身热阻，只能反应TEC的工作状态和传热性能，若要对整个散热系统进行分析，还应考虑整个散热系统的热阻。4.3 热电冷却系统热阻total根据热阻的定义，系统总热阻与系统的总传热系数相对应，通常用来评价某一散热系统的散热能力。图10给出了系统热阻随TEC工作电流和芯片功率的变化关系。由图

18、10可知，在给定散热系统热负荷和TEC热面散热强度下，total呈现先下降后上升的趋势。当Q0=20W时，total在工作电流为2.1A时取得最小值0.344·W-1；当Q0=25W时，total在工作电流为2.4Atotal / ·W-1时取得最小值0.672·W-1；当Q0=30W时，total在工作电流为2.8A时取得最小值0.829·W-1。从图中还可以看出，随着芯片功率的增大，系这给散热系统统热阻total迅速增加，带来了较大的散热压力。当TEC工作图10 系统热阻随TEC工作电流和芯片功率的变化 Fig.10 Variation of the

19、 system total thermal resistance at different I and Q0 I /A 电流较高时，Q0=25W时的系统热阻超过了Q0=30W时的系统热阻，这可能与实验测试的环境温度变化有关。4.4 误差分析芯片冷却散热实验系统包括模拟芯片、热界面材料、热电制冷模块和热沉等多个部件，各部分温度的测定均存在误差。另外，实验的数据采集与检测部分也存在测量误差，而且误差具有传递性，实验系统的误差通常因各部件的误差累积而放大14。由于实验的影响因素较多，单次实验的时间较长，环境温度的变化以及空气流动都会对实验结果产生影响。因此，在进一步深入的研究中，应该将此实验置于密闭

20、的空间中进行，尽量减少外界因素的影响。 5 结论在总结现有研究成果的基础上，以热电制冷原理为理论基础，对热电制冷模块的传热过程进行了分析。根据热电冷却器的结构与性能特点，设计热电冷却散热系统性能测试实验台，对热电冷却散热系统的性能进行了测试分析，并对实验测试系统的误差进行了分析。采用热阻分析模型对热电散热系统各部分热阻及系统总热阻的影响因素分析表明： TEC自身热阻随着工作电流的增大而降低；系统总热阻随TEC工作电流的增大而先减小后增大，存在一个最佳电流值使得系统热阻最小；并且，它随芯片功率的增加而增大。参考文献1. 田民波. 电子封装工程M. 北京：清华大学出版社, 2003:46-49,

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25、 Changhong, Huang Jin, Chen Ying, Zhu Dongsheng(1Faculty of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006 2The Key Lab of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation Ministry of Education, South ChinaUniversity of Technology, Guangzhou, 510640)Abstract: This paper is

26、 the mould of the thesis for the conference. The Microsoft Word should be used for writing the thesis. With the rapid increase of the microelectronic packaging integration and the chip power density, as well as the continued decrease in the chip size, the chip junction temperature (Tchip) and its di

27、stribution uniformity has become the bottleneck which need to be urgently solved. Based on the research background and status of the thermal management technology for microelectronic chip, the microelectronic chip thermoelectric cooling equipment and its test system have been developed for the deficiency of the conventional cooling technologies in this pape